热工过程自动控制技术课件第二

河南城建学院 建筑环境与能源工程系
2020/9/29
热工过程自动控制技术
控制器的动态特性6
• 3.比例微分(PD)控制器
▪ (1)理想PD控制器：
• ①动态方程： KPeKdd det1eTdd det
(s) 1
•
②传递函数：WPD(s)
E(s)
(1Tds)
• ③响应曲线： ▪ (2)实际PD控制器
热工过程自动控制技术
Ch2 自动控制系统综述
▪ 热工控制对象的动态特性 ▪ 控制器的动态特性 ▪ 单回路控制系统的分析与整定 ▪ 复杂控制系统
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热工过程自动控制技术
§2-1 热工控制对象的动态特性1
▪ 一、建立热工控制对象数学模型的目的： • 1.设计过程控制系统和整定控制器参数 • 2.指导设计生产工艺设备 • 3.进行仿真试验研究 • 4.培训运行操作人员
▪ 2.根据对象是否具有自平衡能力分类： 有自平衡能力的对象、无自平衡能力的对象。
• (二)有自平衡能力的对象： • (三)无自平衡能力的对象： • (四)热工控制对象动态特性的特点：
有迟延、有惯性、不振荡。
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热工过程自动控制技术
有自平衡能力的对象
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热工过程自动控制技术
比值控制系统分析
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热工过程自动控制技术
补偿纯迟延的常规控制
▪ 1.微分先行控制方案
▪ 2.中间反馈控制方案
▪ 3.二方案与常规PID控制的比较
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热工过程自动控制技术
• 1.结构框图 • 2.原理框图 ▪ (二)特点：P67 ▪ (三)串级控制系统的 设计和控制器的选型： P67 ▪ (四)串级控制系统的 整定： P68
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热工过程自动控制技术
前馈控制系统
▪ 1.工作原理：
系统中控制器根据干扰 作用的大小和方向对被 控介质进行控制来补偿 干扰对被控量的影响。
• 1.比例(P)控制器
▪ (1)动态方程：
KPe
1
e
▪ (2)传递函数：
(s)
1
WP(s)
E(s)
KP
▪ (3)阶跃响应曲线：
▪ (4)整定参数：δ
比例带δ：当控制机构的位置改变100%时，偏差 应有的改变量。
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热工过程自动控制技术
控制器的动态特性5
• (二)比值控制系统分析：
1.单闭环比值控制系统
2.有逻辑规律的比值控制系统
▪ 四、大迟延对象的控制方案：
• (一)补偿纯迟延的常规控制：
• (二)Smith预估补偿：
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热工过程自动控制技术
串级控制系统
▪ (一)基本原理和结构
以汽包锅炉过热汽温 串级控制系统为例。
(飞升速度 ε)：
t g
K Tc
• (3)迟延时间τ：
▪ 3.特征参数变化对阶跃响应的影响：
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热工过程自动控制技术
§2-2 控制器的动态特性1
▪ 自动控制系统的控制质量取决于它的动态特性，即 取决于组成控制系统的被控对象和控制器的动态特 性。
▪ 控制器的动态特性也称为控制器的控制规律，是控 制器的输入信号(一般为被控量与给定值的偏差信号) 与输出信号(一般代表了执行机构的位移)之间的动态 关系。
• 2.比例积分(PI)控制器
▪ (1)动态方程： KPeKI 0tedt1(eT 1i 0tedt)
▪
(2)传递函数：
WPI
(s)(s)
E(s)
11 (1 )
Tis
▪ (3)阶跃响应曲线：
▪ (4)整定参数： δ、Ti 。 积分时间Ti ：控制器的输出为比例作用所造成的
变化加倍所需要的时间。
1．测量元件 2．变送器 3．执行器和控制机构
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热工过程自动控制技术
§2-4 复杂控制系统
▪ 一、串级控制系统：
▪ 二、前馈—反馈控制系统：
• (一)前馈控制系统： • (二)前馈—反馈控制系统：
▪ 三、比值控制系统：
• (一)基本概念：两种或两种以上的物质量保持一定比例关 系的控制系统称为比值控制系统。
④整定参数：δ、Td 。
TDddt 1eTd
de dt
(s) 1 1 W PD(s)E(s)TDs1(1Tds)
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热工过程自动控制技术
控制器的动态特性7
• 4.比例积分微分(PID)控制器
▪ (1)理想PID控制器：
• ①动态方程：
1eT1i
t
de
• 2．积分控制作用(简称I作用)：
▪ (1)微分方程：
d dt
K Ie
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热工过程自动控制技术
控制器的动态特性3
▪ (2)动作规律：根据偏差的方向进行控制。
▪ (3)特点：a.能实现无差控制。
b.会造成过调，引起被控量振荡。
• 3．微分控制作用(简称D作用)：▪ 2.实例： ▪ 3.特点来自P69 ▪ 4.与反馈控制的差别：
P70
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热工过程自动控制技术
前馈—反馈控制系统
▪ 1.工作原理与系统结构： P70 ▪ 2.前馈—反馈控制系统的整定： P71 ▪ 3.前馈—反馈控制的选用原则： P71
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edt
0
Td
dt
•
②传递函数：
(s) 1 1 WPID(s)E(s)1TisTds
▪ (2)实际PID控制器
• ①动态方程：
TDddt 1eT 1i 0tedtTdd det
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控制器的动态特性8
• ②传递函数：
WPID(s)E((ss))Td 1s111T1isTds
KD
• ③阶跃响应曲线：
• ④整定参数：δ、 Ti 、Td 。
图2-10是同一对象分别配比例控制器、比例积分控制
器、比例积分微分控制器组成的控制系统，在阶跃扰动
作用下其被控量的变化过程曲线的比较。
综上所述，比例控制作用是最基本的控制作用，而 积分和微分作用为辅助控制作用。比例作用贯彻于整个 控制过程之中，积分作用则体现在控制过程的后期，用 以消除静态偏差，微分作用则体现在控制过程的初期， 用以减小动态偏差，克服迟延和惯性的影响。
• (二)各种整定方法的比较： P65
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热工过程自动控制技术
单回路控制系统的组成
由测量变送器、控制器、执行器(包括控制阀)连同被控 对象组成。
• (一)被控量的选择：P56
• (二)控制量的选择：P56
• (三)控制通道和扰动通道：P56
• (四)影响系统控制质量的主要因素：P57
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热工过程自动控制技术
控制器的动态特性2
▪ 一、PID控制器的基本控制作用：
• 1．比例控制作用(简称P作用)：
▪ (1)微分方程：
μ＝Kpe ▪ (2)动作规律：根据偏差的大小进行控制。
▪ (3) 特点：a.控制及时，能有效地抑制扰动。
b.控制过程结束后有静态偏差。
▪ 1.对象的自平衡能力：
对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏，无需外加任何 控制作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的 平衡状态的性质，称为对象的自平衡能力。
实质：对象输出量变化对输入量发生影响的结果，或者 说，对象内部存在着负反馈。
▪ 2.特征参数：
• (1)自平衡率ρ：
1
K
•
(2)时间常数Tc
Smith预估补偿
▪ 在PID反馈控制的基础上，引入一个预补偿环节。
▪ Smith预估补偿控制原理图：
▪ Smith预估补偿系统方框图：
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热工过程自动控制技术
§2-3 单回路控制系统的分析与整定
▪ 一、单回路控制系统的组成：
▪ 二、对象特性对控制质量的影响：P58
▪ 三、单回路控制系统的整定：
• (一)整定方法
▪ 1.响应曲线法 ：P61 ▪ 2.临界比例带法：P61 ▪ 3.衰减曲线法：P63 ▪ 4.试凑法：P64 ▪ 5.经验法：P65
▪ 二、影响对象动态特性的结构性质： • 1.容量系数 • 2.阻力 • 3.传递迟延
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热工过程自动控制技术
热工控制对象的动态特性2
▪ 三、热工控制对象的阶跃响应及其特点：
• (一)热工控制对象的分类：
▪ 1. 根据对象结构分类： 简单对象(单容对象)、复杂对象(多容对象)。
▪ (1)微分方程：
Td
de dt
▪ (2)动作规律：根据偏差的变化趋势进行控制。 ▪ (3)特点：a.具有“超前”偏差变化量的作用 。